(57)【要約】  収差補正器を備えた走査荷電粒子線装置での傾斜観察において、特定の光学系によらず、色球面収差による分解能低下の抑制を図る。走査荷電粒子線装置の制御部は、試料の傾斜観察における色球面収差の測定方法を提供し、更に、試料の傾斜観察において色収差制御機能を有し、観察する傾斜角(t1)およびこの傾斜角と軸対称の関係にある傾斜角(-t1)において、色球面収差および色収差によって試料面と平行な方向に生じる画像のボケを抑制するため、この色収差制御機能により色収差が0となる状態よりも正もしくは負になるよう制御する。
2011052333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線を利用する走査荷電粒子線装置であって、
試料を載置する試料ステージと、入射した１次荷電粒子線の収差を補正する収差補正器と前記収差補正器の上部に設置された前記１次荷電粒子線を偏向する偏向器を有し、前記試料ステージ上に載置された試料に対して前記1次荷電粒子線を走査する照射光学系と、前記荷電粒子線の走査により発生する２次荷電粒子を検出する検出器と、前記検出器の出力信号を画像表示する表示部と、前記偏向器を用いて前記１次荷電粒子線の前記試料への照射角度と方向、及び前記１次荷電粒子線への加速電圧を変更して、色球面収差量を測定するよう制御する制御部を備えた、
ことを特徴とする走査荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１に記載の走査荷電粒子線装置であって、
前記制御部は、
前記色球面収差量の測定において、前記加速電圧を変更することで生じる画像の移動について、変更した前記加速電圧に対する単位電圧あたりの画像移動量と方向を算出し、
前記単位電圧あたりの画像移動量と方向の算出において、前記１次荷電粒子線の傾斜を傾斜軸に対して同一の向きで少なくとも３種異なる角度において測定して、前記傾斜角を変数とする前記単位電圧あたりの画像移動量を多項式として近似し、前記多項式の３次の係数から前記色球面収差量を算出する、
ことを特徴とする走査荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１に記載の走査荷電粒子線装置であって、
前記制御部は、
前記色球面収差量の測定において、前記加速電圧を変更することでフォーカスズレを発生させ、前記フォーカスズレに対して変更した前記加速電圧の単位電圧あたりのフォーカスズレ量と方向を算出し、前記単位電圧あたりのフォーカスズレ量と方向の算出に際し、前記１次荷電粒子線の傾斜を傾斜軸に対して同一の向きで少なくとも２種異なる傾斜角において測定し、前記傾斜角を変数とする前記単位電圧あたりのフォーカスズレ量を多項式として近似し、前記多項式の２次の係数から前記色球面収差量を算出する、
ことを特徴とする走査荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項１に記載の走査荷電粒子線装置であって、
前記制御部は、前記試料の傾斜観察において色収差制御機能を有し、観察する傾斜角および当該傾斜角と軸対称の関係にある傾斜角において、色球面収差および色収差によって試料面と平行な方向に生じる画像のボケを抑制するため、前記色収差制御機能により色収差が0となる状態よりも正もしくは負になるよう制御する、
ことを特徴とする走査荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項1に記載の走査荷電粒子線装置であって、
前記制御部は、前記試料の傾斜観察において色分散収差制御機能を有し、観察する傾斜角において色球面収差および色収差によって試料面と平行な方向に生じる画像のボケを抑制するよう、前記色分散収差制御機能により、傾斜しない場合の色分散収差が0の状態よりも正もしくは負になるように制御する、
ことを特徴とする走査荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項1に記載の走査荷電粒子線装置であって、
前記制御部は、前記試料の傾斜観察において球面収差制御機能を有し、観察する傾斜角において色球面収差および色収差によって試料面と平行な方向に生じる画像のボケを抑制するように前記球面収差制御機能により球面収差が0の状態よりも正もしくは負に制御する、
ことを特徴とする走査荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項1に記載の走査荷電粒子線装置であって、
前記制御部は、照射角度制御による前記試料の傾斜観察において、色収差制御機能、色分散収差制御機能、球面収差制御機能の少なくともいずれか二つの機能を含み、このうちの少なくとも二つの機能を用いて観察する傾斜角において、色球面収差および色収差によって試料面と平行な方向に生じる画像のボケを抑制し，且つ抑制の際の生じる色収差と球面収差によって生じる画像のボケが最小となる組み合わせを選択して観察するよう制御する、
ことを特徴とする走査荷電粒子線装置。
【請求項８】
荷電粒子線を利用する走査荷電粒子線装置であって、
試料を載置する試料ステージと、
前記試料ステージ上に載置された試料に対して1次荷電粒子線を走査する照射光学系と、
前記１次荷電粒子線の走査により発生する２次荷電粒子を検出する検出器と、前記検出器の出力信号を画像表示する表示部と、
前記試料ステージ、前記照射光学系、前記検出器、前記表示部を制御する制御部と、
前記制御部に接続される記憶部とを備え、
前記照射光学系は、入射した前記１次荷電粒子線の収差を補正する収差補正器と前記１次荷電粒子線を偏向する偏向器とを有し、
前記制御部は、前記偏向器を用いて前記１次荷電粒子線の前記試料への照射角度と方向、及び前記１次荷電粒子線への加速電圧を変更制御して測定した色球面収差量を前記記憶部に保存する、
ことを特徴とする走査荷電粒子線装置。
【請求項９】
試料を載置する試料ステージと、入射した１次荷電粒子線の収差を補正する収差補正器と前記１次荷電粒子線を偏向する偏向器を有し、前記試料ステージ上に載置された試料に対して前記1次荷電粒子線を走査する照射光学系と、前記荷電粒子線の走査により発生する２次荷電粒子を検出する検出器と、前記検出器の出力信号を画像表示する表示部とを備えた荷電粒子線装置の制御部による色球面収差補正方法であって、
前記偏向器を用いて前記１次荷電粒子線の前記試料への照射角度と方向、及び前記１次荷電粒子線への加速電圧を変更制御して、色球面収差量を測定する、
ことを特徴とする色球面収差補正方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の色球面収差補正方法であって、
前記色球面収差量の測定において、前記加速電圧を変更することで生じる画像の移動について、変更した前記加速電圧に対する単位電圧あたりの画像移動量と方向を算出し、前記単位電圧あたりの画像移動量と方向の算出について前記１次荷電粒子線の傾斜を傾斜軸に対して同一の向きで少なくとも３つの異なる角度において測定して当該角度を変数とする前記単位電圧あたりの画像移動量を多項式として近似し、前記多項式の３次の係数から前記色球面収差量を算出する、
ことを特徴とする色球面収差補正方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の色球面収差補正方法であって、
前記色球面収差量の測定において、前記加速電圧を変更することでフォーカスズレを発生させ、前記フォーカスズレに対して変更した前記加速電圧の単位電圧あたりのフォーカスズレ量と方向を算出し、前記単位電圧あたりのフォーカスズレ量と方向の算出の際、前記１次荷電粒子線の傾斜を傾斜軸に対して同一の向きで少なくとも２種異なる傾斜角において測定し、前記傾斜角を変数とする前記単位電圧あたりのフォーカスズレ量を多項式として近似し、前記多項式の２次の係数から前記色球面収差量を算出する、
ことを特徴とする色球面収差補正方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の色球面収差補正方法であって、
前記試料の傾斜観察において色収差制御機能を有し、観察する傾斜角において色球面収差および色収差によって試料面と平行な方向に生じる画像のボケが前記傾斜角および前記傾斜角と軸対称の関係にある傾斜角において、前記色収差制御機能により色収差が0となる状態よりも正もしくは負になるよう制御する、
ことを特徴とする色球面収差補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子ビームを試料に対して走査照射して、この試料からの二次電子または反射電子または透過電子を取得する走査荷電粒子線装置、特にその傾斜観察における色球面収差の補正技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥM）や透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：TEM）などの電子顕微鏡をはじめとする荷電粒子ビーム装置では、荷電粒子ビームを集束するため電場若しくは磁場を用いたレンズが必ず使用される。電場若しくは磁場レンズでは、各種収差が不可避的に発生する。したがって、縮小率を高くして荷電粒子ビームを絞ろうとしても、収差が大きくてはスポット径を小さくできず、微細構造の観察や寸法測定精度の向上ができない。【０００３】
荷電粒子ビーム装置では、分解能を向上するために、収差補正器の導入が進められている。この収差補正器は、通常、多段に設置された多極子レンズにより構成され、多極子レンズ内に電場ないし磁場を発生することにより、内部を通過する荷電粒子線に含まれる収差を除去する。【０００４】
この収差補正器に関しては、例えば、非特許文献1に開示されているもののように、多極子レンズを4段用いたものがある。【０００５】
荷電粒子ビーム装置では加速電圧が完全に一定でなくエネルギー幅をもつことによって発生する収差がある。この収差の代表的なものとして、色収差と倍率色収差がある。本明細書では倍率色収差で生じる分散量（ボケ）を特に色分散収差(chromatic dispersion)と呼ぶ。非特許文献1の収差補正器においては、色収差の補正技術が開示されている。しかしながら、非特許文献1では色球面収差(chromatic third-order aperture aberration，またはchromatic spherical combination aberration)の測定および傾斜観察技術時の色球面収差補正技術について開示されていない。【０００６】
収差補正中の色球面収差に関しては、非特許文献２に開示されている。非特許文献２ではシミュレーションを用いて、収差補正により色球面収差ならびに５次球面収差が増大し分解能が制限される条件を開示し、対策法として収差補正器と対物レンズ間の実効距離を縮めることが開示されている。しかしながら、非特許文献２では、実際の色球面収差の測定法は開示されておらず、また、傾斜観察時の色球面収差と他の収差との相殺方法については開示されていない。【０００７】
また、荷電粒子ビーム装置の収差補正を考慮した傾斜観察技術としては、例えば、特許文献1に開示されている技術がある。この技術は、傾斜観察において収差補正を行うことで分解能が向上する技術が開示されている。しかしながら、色球面収差の測定および傾斜観察時の色球面収差補正技術について開示されていない。【０００８】
更に、荷電粒子ビーム装置の色分散収差を検出し、これを補正する技術としては、例えば、特許文献2に開示されている技術がある。この技術は、加速電圧を現在値から変化させた場合の軸ずれにともなう移動を補正するようにしてある。しかしながら、収差補正器やそれを用いた傾斜観察技術について開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開2006-054074号公報
【特許文献２】特開2008-181778号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 、 A363(1995)、 第316〜325頁
【非特許文献２】Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 、A519(2004)、 第264〜279頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献1に記載の方法で収差補正した後傾斜観察を行う場合、色球面収差について考慮した補正を行っていないため、色球面収差のために分解能が制限されてしまう問題があった。非特許文献２に開示の方法で色球面収差を抑制し傾斜観察を行う場合、色球面収差を最適化するために必要な色球面収差を測定する技術がないという問題があった。また、非特許文献２に開示の方法で色球面収差の最適化を行う場合、光学系の倍率変化を伴うため他のすべての収差も同時に変化してしまい完全に調整するには時間と手間がかかる問題があり、実際には完全には補正しきれず残ってしまう問題となっていた。なお、色球面収差自体は、色収差補正および球面収差補正をまったく行わなければ発生しないが、その場合は球面収差と特に色収差によって傾斜観察での分解能が低下する。さらに、非特許文献２に開示の方法では光学条件は固定となるため、光学系の自由度が低下してしまい、傾斜観察において使い勝手はよくなく、分解能においても必ずしも最適条件とならない問題もあった。【００１２】
本発明の目的は、このような従来の問題点に着目し、収差補正器を用いた傾斜観察において分解能を向上することができる走査荷電粒子線装置、及びその色球面収差補正方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するため、本発明においては、荷電粒子線を利用する走査荷電粒子線装置であって、試料を載置する試料ステージと、入射した１次荷電粒子線の収差を補正する収差補正器とこの収差補正器上部に設置された１次荷電粒子線を偏向する偏向器を有し、試料ステージ上に載置された試料に対して1次荷電粒子線を走査する照射光学系と、荷電粒子線の走査により発生する２次荷電粒子を検出する検出器と、この検出器の出力信号を画像表示する表示部と、偏向器を用いて１次荷電粒子線の試料への照射角度と方向、及び１次荷電粒子線への加速電圧を変更制御して、色球面収差量を測定するよう制御する走査荷電粒子線装置、及び色球面収差補正方法を提供する。【００１４】
また、上記の目的を達成するため、本発明においては、制御部は、色球面収差量の測定において、加速電圧を変更することで生じる画像の移動について、変更した加速電圧に対する単位電圧あたりの画像移動量と方向を算出し、単位電圧あたりの画像移動量と方向の算出に際し、１次荷電粒子線の傾斜を傾斜軸に対して同一の向きで少なくとも３種異なる角度において測定して傾斜角を変数とする単位電圧あたりの画像移動量を多項式として近似し、この多項式の３次の係数から前記色球面収差量を算出するよう制御する走査荷電粒子線装置、及び方法を提供する。【００１５】
更に、上記の目的を達成するため本発明においては、制御部は、色球面収差量の測定において、加速電圧を変更することでフォーカスズレを発生させ、フォーカスズレに対して変更した加速電圧の単位電圧あたりのフォーカスズレ量と方向を算出し、単位電圧あたりのフォーカスズレ量と方向の算出に際し、１次荷電粒子線の傾斜を傾斜軸に対して同一の向きで少なくとも２種異なる傾斜角において測定し、傾斜角を変数とする単位電圧あたりのフォーカスズレ量を多項式として近似し、多項式の２次の係数から色球面収差量を算出するよう制御するよう制御する走査荷電粒子線装置、及び方法を提供する。【００１６】
また更に、制御部は、試料の傾斜観察において色収差制御機能を有し、観察する傾斜角および当該傾斜角と軸対称の関係にある傾斜角において、色球面収差および色収差によって試料面と平行な方向に生じる画像のボケを抑制するため、この色収差制御機能により色収差が0となる状態よりも正もしくは負になるよう制御する走査荷電粒子線装置、及び方法を提供する。【００１７】
すなわち、本発明においては、収差補正機能（手段）を備えた荷電粒子線装置における傾斜観察において、異なる複数の傾斜角で加速電圧を段階的に変更し、その際に生じるビームの移動もしくはフォーカスズレから、色球面収差量を測定する。そして、傾斜観察を行う際に、観察を行う特定の角度（傾斜角）において、色収差補正量もしくは色分散収差補正量もしくは球面収差補正量をコントロールすることで色球面収差と相殺することにより分解能の向上を図る。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、色球面収差の測定方法および傾斜観察での他の収差との相殺方法を提供するため、光学条件を固定する必要なく手間をかけずに精度良く調整でき、傾斜観察での高分解能化が可能となる。このため、傾斜しない状態と傾斜観察する状態の切り替えに伴う収差補正器の調整が短時間で行え、３次元構造の側壁観察の分解能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】各実施例に係わる走査電子顕微鏡の概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施例に係わる、色球面収差測定のフローチャートを示す図である。
【図３】第１の実施例に係わる、加速エネルギーの変動値と移動量の関係の例を示した図である。
【図４】第１の実施例に係わる、傾斜角と単位エネルギーあたり移動量の関係の例を示した図である。
【図５】第１の実施例に係わる、色収差制御による傾斜角と単位エネルギーあたり移動量の関係の変化の例を示した図である。
【図６】第２の実施例に係わる、色分散収差制御による傾斜角と単位エネルギーあたり移動量の関係の変化の例を示した図である。
【図７】第３の実施例に係わる、球面収差制御による傾斜角と単位エネルギーあたり移動量の関係の変化の例を示した図である。
【図８】第４の実施例の色球面収差測定のフローチャートを示す図である。
【図９】第４の実施例に係わる、加速エネルギーの変動とフォーカスズレ量の関係の例を示した図である。
【図１０】第４の実施例に係わる、傾斜角と単位エネルギーあたりフォーカスズレ量の関係の例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態として、走査電子顕微鏡（SEM）に適用した種々の実施例を説明する。他の電子線応用装置や陽子やイオンなど他の荷電粒子線装置についてもレンズや収差補正器の構成はその種類に応じて変わるが、以下に説明する実施例と基本的に同一の手法が適用できる。収差補正器は色収差、色分散収差、球面収差を含む３次までの幾何収差を補正できるものを想定する。また、本発明書において、色球面収差とは、色収差と球面収差によるコンビネーション収差を意味し、エネルギーの１次と開き角の３次に比例するものである。
【実施例１】
【００２１】
本実施例では、走査電子顕微鏡（SEM）における色球面収差測定法と、収差補正後の傾斜観察時の色球面収差による分解能低下を抑制するための方法を示す。【００２２】
まず、装置構成の説明を行い、次に、測定法の流れを説明し、最後に傾斜時の分解能低下抑制法を説明する。なお、本実施例においては、走査電子顕微鏡（SEM）の偏向器を用いて電子線の試料への照射角度と方向、及び電子線源への加速電圧を変更制御して、色球面収差量を測定する。この色球面収差量の測定のため、本実施例においては、電子線源の加速電圧制御機能によって加速電圧の変更することで生じる画像の移動について、変更した加速電圧に対する単位電圧あたりの画像移動量と方向を算出すると共に、この単位電圧あたりの画像移動量と方向の算出の際、電子線の傾斜を傾斜軸に対して同一の向きで少なくとも３種異なる角度（傾斜角）で測定し、この傾斜角を変数とする単位電圧あたりの画像移動量を多項式として近似し、この多項式の３次の係数から色球面収差量を算出する。【００２３】
図1に本実施例に係わる走査電子顕微鏡（SEM）の概略構成を示す。なお、この走査電子顕微鏡（SEM）の構成は本実施例のみならず、他の実施例においても共通に利用されるものである。この走査電子顕微鏡は、大まかに、電子線を試料上に照射ないし走査させるSEMカラム101、試料ステージが格納される試料室102、SEMカラム101や試料室102の各構成部品を制御するための制御部としての制御ユニット103等により構成されている。制御部としての制御ユニット103には、制御コンピュータ30と、電子銃電源20等の各種の電源21、22、23、24、25、26、27、28、29、32、33、74、75や試料ステージ制御機構81が含まれている。【００２４】
更に、制御ユニット103には、所定の情報や制御コンピュータ103を動作させるためのプログラム等を保存・格納するためのデータストレージ７６や、取得画像を表示する表示部であるモニタ77、装置と装置ユーザとのマン・マシンインタフェースとなる操作卓78、収差演算装置79が接続されている。操作卓78は、例えば、キーボードやマウスなどの情報入力部により構成される。収差演算装置79は、後で説明する種々の収差を演算する演算装置であり、その演算結果はデータストレージ７６に保存される。この収差演算機能を制御コンピュータ30内の図示を省略した処理部である中央処理部(Central Processing Unit：ＣＰＵ)のプログラム処理で実行することも可能であり、この場合、制御コンピュータは算出した色球面収差等をデータストレージ７６に保存することは言うまでもない。そこで、本明細書において、制御部にはこの収差演算装置79の機能が含まれる。【００２５】
はじめに、SEMカラム101内部の構成要素について説明する。ショットキー電子源1はタングステンの単結晶に、酸素とジルコニウムなどを拡散させショットキー効果を利用する電子源で、その近傍にサプレッサー電極2、引き出し電極3が設けられる。ショットキー電子源1を加熱し、引き出し電極3との間に+2kV程度の電圧を印加することにより、ショットキー電子を放出させる。サプレッサー電極2には負電圧が印加されショットキー電子源1の先端以外からの電子放出を抑制する。引き出し電極3の穴を出た電子は第1陽極4、第2陽極5で形成される静電レンズにより加速、収束された電子は、光軸60に沿って後段の構成要素へ入射する。電子ビームは第1コンデンサーレンズ6で収束され、可動絞り9にてビーム電流を制限され、第2コンデンサーレンズ7、偏向器8を通り、収差補正器10に入射する。
コンデンサーレンズ７では収差補正器に入射するビームが平行となるよう調整される。傾斜なしのとき偏向器8によって電子ビームの軌道は収差補正器10の軸を通るように調節される。本実施例では4極−8極子系の収差補正器10を例に説明する。【００２６】
収差補正器10の各段で4極子、8極子を形成するがこれには12極の電極（磁極を兼ねてもよい）を用いると、4極子、8極子のほか、2極子、6極子、12極子も形成可能で電極、磁極の組み立て誤差、磁極材料の不均一性により生じる場の歪みを電気的に補正するためにそれらを使用する。収差補正器10により対物レンズ17と相殺する色収差、球面収差を与えられた電子ビームは、対物アライナ12によって対物レンズ軸を通るように偏向され、対物レンズ17にて試料18上に収束し、そのスポットは走査偏向器15にて試料上を走査される。【００２７】
試料室102内部には、試料17を載置する試料載置面を備えた試料ステージ80が格納されている。電子線照射により発生する2次電子は、対物レンズ17を抜けて、反射板72に当たり電子を発生させる。発生した電子は、2次電子検出器73で検出されるが、ＥｘＢ偏向器71により、反射板72に2次電子の当たる位置を調整することもできる。検出された2次電子信号は、走査と同期した輝度信号として制御コンピュータ30に取り込まれる。制御コンピュータ30は、取り込んだ輝度信号情報に対して適当な処理を行い、モニタ77上にSEM画像として表示される。検出器はここでは1つしか図示していないが、反射電子や2次電子のエネルギーや角度分布を選別して画像取得できるように、複数配置することもできる。ＥｘＢ偏向器71により直接2次電子検出器73に2次電子を集める、あるいは中心に穴のあいた同軸円板状の2次電子検出器を光軸60上に配置すれば反射板72は必ずしも必要ではない。【００２８】
制御部である制御ユニット103は、上述の通り、電子銃電源20、制御電圧源21、加速電圧源22、第1コンデンサーレンズ電源23、第2コンデンサーレンズ電源24、偏向コイル電源25、収差補正器電源26、走査コイル電源27、対物レンズ電源28、リターディング電源29、制御コンピュータ30、非点補正コイル電源32、対物アライナ電源27、対物2次電子検出器電源74、ＥｘＢ偏向器電源75、試料ステージ制御機構81等により構成され、それぞれSEMカラム内の対応する構成要素と、信号伝送路や電気配線等で接続されている。【００２９】
次に、本実施例における色球面収差測定法を説明する。図2に示すフローチャートで測定の流れを示した。このフローチャートは、主に上述した制御部による動作フローを示している。測定開始後のステップ（S10〜S19）について後で詳述する。傾斜は360度いろいろな方向で傾斜の角度を変えることができるが、本実施例では特定の一方向ついて連続的に傾斜の角度のみを変えることとし、傾斜角をΔt間隔で2N+1回、加速電圧をΔE間隔で2M+1回変更して測定する場合を想定する。ここで、N、Mは１以上の自然数である。また、傾斜角tは電子ビームが試料18に入射する垂直方向からの角度とする。傾斜角tの設定は、偏向器８を用いて収差補正器１０に入射する電子ビームを偏向することで行う。このとき光学系は対物レンズの物点を変えないまま試料１８への電子ビームの傾斜角tのみ変えるよう調整する。この調整は、偏向器８での電子ビームが平行となっている場合は電子ビームの平行移動により行われる。開始状態は、加速電圧E=E0、傾斜無しとし、軸調整、色収差、球面収差、ならびに3次の幾何収差補正はされており、SEM像を取得可能な状態とする。【００３０】
(S10)：傾斜角tを-NΔtに設定する。本実施例では簡単のため、始めに-NΔtを設定したが、どの角度から開始しても良い。
(S11)：加速電圧EをE0-MΔEに設定する。本実施例では簡単のため、始めにE0-MΔEを設定したが、どの電圧から開始しても良い。【００３１】
(S12)：2次電子検出器の信号を制御コンピュータ30で処理することで画像を取得する。取得した画像はデータストレージ７６などに保存される。画像は取得した順に画像(i)、i=-M〜+Mといった形などでラベリングされ、画像と共に取得時の条件もストレージ７６に保存され、後から画像と対応する条件が参照できるようになっている。【００３２】
(S13)：加速電圧変更の終了条件を満たすかを判断する。ここでは、段階的に加速電圧を変更するため、規定電圧に達したかによって判断したが、取得する画像数やカウンタを用いて判断してもよい。終了条件を満たしている場合はステップ(S1５)に進み、満たしていない場合はステップ(S1４)に進む。
(S14)：加速電圧をΔE増やし、ステップ(S１２)へ再度進む。このステップでは軸の再調整や、フォーカス合わせ、非点補正など一切行わない。【００３３】
(S15)：加速電圧の変更あたりの移動量を算出する。移動量は試料面上の傾斜方向、傾斜と直交する方向といった２方向について区別してそれぞれ算出する。移動量の算出は、ステップ(S1２)取得した画像間の位置ズレを、相関法などを用いて求めることができる。図３に一方向について移動量と加速電圧の変動をプロットしたグラフの一例を示す。縦軸にE=E0の画像からの移動量(nm)を、横軸に加速電圧の変動分ΔE(V)をとっている。このグラフの傾きが加速電圧の変更あたりの移動量Iv(t)となる。Iv(t)は求めた２方向について方向毎にそれぞれ区別した状態でデータストレージ７６などに保存される。【００３４】
(S16)：傾斜角変更の終了条件を満たすかを判断する。ここでは、段階的に傾斜角を変更するため、規定角に達したかによって判断するが、取得するIv(t)の数やカウンタを用いて判断してもよい。終了条件を満たしている場合はステップ(S18)に進み、満たしていない場合はステップ(S17)に進む。
(S17)：傾斜角をΔt増やし、ステップ(S１１)へ再度進む。このステップでは軸の再調整は行わない。【００３５】
(S18)：色球面収差量を算出する。手順は、ステップ（S15）にて求めたIv(t)の傾斜方向について、傾斜角ごとの移動量Iv(t)(nm/V)をプロットすると図４のようなグラフが得られる。ここで、加速電圧E０をかけた移動量Iv(t)は、傾斜角ｔの３乗に比例し、その係数がCsC(色球面収差係数）であるずれ、傾斜角ｔに比例し、その係数がCc(色収差係数）であるずれ、及びエネルギーに比例し、その係数がC0(色分散収差量）であるずれの総和となり、下式１の多項式で表される。【００３６】
【数１】
2011052333.tif 000003
【００３７】
この式1の３次数の係数CsCは色球面収差係数、1次の係数Ccは色収差係数、定数項C0は色分散収差量であるため、上記の多項式の３次の係数から、傾斜方向についての色球面収差が算出できる。先に述べたように、色球面収差量の算出は、制御部の制御コンピュータ30内のＣＰＵや、収差演算装置79で実行可能である。他の収差算出も同様であることは言うまでもない。いずれの算出結果も先に述べたように、制御コンピュータ30によりデータストレージ７６に保存される。【００３８】
(S1９)：測定を終了するため、測定開始前の状態に戻す。
以上(S10)から(S1９)を行うことで色球面収差を測定できる。また上述のフローで傾斜の方向は特定の一方向（プラス側、マイナス側）について行ったが、直交する傾斜方向など、少なくとも２方向について測定することで、非対称性を考慮した色球面収差測定が行えることになる。【００３９】
なお、傾斜角および加速電圧の変更について、順番は例えばプラス側とマイナス側に交互に変動させるようなものなど本実施例で示したもの以外で良く、変更間隔が等間隔でなくても良い。ただし、加速電圧の変更は数V、傾斜角の変更は数〜１０度以内の範囲で行うのが望ましい。【００４０】
次に本実施例における収差補正後の傾斜観察時の色球面収差による分解能低下を抑制するための方法を説明する。【００４１】
本実施例における分解能低下抑制方法は、色収差と色球面収差の相殺である。すなわち、本実施例の制御部は、試料の傾斜観察において色収差制御機能を有し、観察する傾斜角およびこの傾斜角と軸対称の関係にある傾斜角において、色球面収差および色収差によって試料面と平行な方向に生じる画像のボケを抑制するため、色収差制御機能により色収差が0となる状態よりも正もしくは負になるよう制御する。【００４２】
以下説明のために、まず、傾斜時の色球面収差による分解能低下の状態を説明する。収差補正後は色収差、並びに３次以下の幾何収差が補正されている。この状態において、収差補正器と対物レンズ間の実効的な距離がゼロでない場合は色球面収差が発生している。また、高次の幾何収差も発生している。収差補正後の傾斜観察において、高次収差の影響により傾斜角が大きくなるほど分解能は低下する。幾何収差は絞り径で制限できるため小さい径の絞りを利用することで影響を抑えられるが、エネルギー分散の効果は絞り径に関係なく発生するため色球面収差は微小な絞りを用いても制限できない。よって、色球面収差が収差補正後の傾斜観察での分解能低下の主要因となっている。【００４３】
式１と図４を用いて、色収差と色球面収差の相殺を説明する。収差補正後は式１においてCc=0、C0=0となっており、図４に示すように傾斜するほどエネルギーに対する分散が大きくなる。収差補正器10は色収差を補正するが、機能としては色収差量を増やしたり減らしたり制御する装置である。したがって特定の傾斜角t1において下式２を満たすよう色収差係数Ccをコントロールすれば、傾斜角t1において色球面収差CsCによるエネルギー分散
の効果を相殺することができる。【００４４】
【数２】
2011052333.tif 000004
【００４５】
図５にその状態を示す。収差補正後の相殺前ではtの３次関数として単調増加しているが、下式３を満たす色収差を加えることで傾斜角t1においてグラフはIv=0と交差する。【００４６】
【数３】
2011052333.tif 000005
【００４７】
このとき、傾斜角-t1においても色球面収差との相殺条件が満たされるため、本実施例においては、t1と-t1の２つの異なる角度からの観察を即座に行うことができる。なお、CsCは色収差補正量の関数でCcを変更すると変化するため調整後のCcは単純な傾斜角の２次関数とは異なるが、調整の解は存在する。【００４８】
以上で本実施例における、収差補正後の傾斜観察時の色球面収差による分解能低下を抑制するための方法を示した。本実施例では特定の角度t1と-t1での例を挙げたが、異なる傾斜角においても、色収差量を調整することで相殺することができる。また、軸上での高分解能観察と両立できるよう、傾斜時にのみあらかじめ用意しておいたテーブルに基づき色収差に制御するよう動作してもよい。その際に色球面収差相殺条件からのズレは、傾斜角の方を微調整すれば、比較的簡単にあわせられる。【００４９】
以上詳述した本実施例で説明した手法により、光学条件を固定する必要なく、収差補正時の傾斜観察での高分解能化が可能となる。また、２方向からの傾斜観察を素早く切り替え観察することが可能となる。
【実施例２】
【００５０】
次に、第２の実施例として、色分散収差を用いた、収差補正後の傾斜観察時の色球面収差による分解能低下抑制方法の実施例を説明する。本実施例の装置構成は実施例１と同じものを用いる。【００５１】
本実施例において、走査電子顕微鏡(SEM)の制御部である制御ユニット103は、色分散収差制御機能を有し、観察する傾斜角において色球面収差および色収差によって試料面と平行な方向に生じる画像のボケを抑制するように、色分散収差制御機能により、傾斜しない場合の色分散収差が0の状態よりも正もしくは負になるように制御する。【００５２】
本実施例の方法はこの色分散収差と色球面収差の相殺である。収差補正後、式１で特定の傾斜角t1において下式４を満たすよう収差補正器によって色分散収差をコントロールすれば、傾斜角t1において色球面収差によるエネルギー分散の効果を相殺することができる。図６その状態を示す。【００５３】
【数４】
2011052333.tif 000006
【００５４】
図６に見るように、下式５を満たす色分散収差を加えることで傾斜角t1においてIv=0と交差する。【００５５】
【数５】
2011052333.tif 000007
【００５６】
実施例１とは異なる点としては、傾斜角-t1において色球面収差との相殺条件は満たさない。また、色分散収差を発生させるため、傾斜無しの状態では分解能の低下がおきる。色分散収差を変えてもCsCは変化しないため解の予測は単純になる。最大の利点としては、色収差も補正した状態を保ったまま色球面収差の相殺が行えることである。
本実施例では特定の角度での例を挙げたが、異なる傾斜角においても、色分散収差量を調整することで色球面収差と相殺することができる。しかしながら、傾斜角の３乗に比例して色分散収差量を変更しなければならないため、調整電圧等も３乗の変更が必要となり、傾斜角に対する調整可能範囲は電源の限界により実施例１よりも狭い。また、軸上での高分解能観察と両立できるよう、傾斜時にのみあらかじめ用意しておいたテーブルに基づいた色分散収差に制御するよう動作してもよい。その際に色球面収差相殺ズレは、傾斜角の方を微調整すれば、比較的簡単にあわせられる。【００５７】
本実施例で説明した手法により、光学条件を固定する必要なく、収差補正時の傾斜観察での高分解能化が可能となる。
【実施例３】
【００５８】
続いて、第３の実施例として、球面収差制御を用いた、収差補正後の傾斜観察時の色球面収差による分解能低下抑制方法の実施例を説明する。本実施例の装置構成は実施例１と同じものを用いる。【００５９】
本実施例における走査電子顕微鏡(SEM)の制御部は、照射角度制御機能を用いた試料の傾斜観察において球面収差制御機能を有し、観察する傾斜角において色球面収差および色収差によって試料面と平行な方向に生じる画像のボケを抑制するように球面収差制御機能により球面収差が0の状態よりも正もしくは負になるよう制御する。【００６０】
この色球面収差は球面収差補正量の関数であるため、補正量を変えれば小さくすることができる。また、エネルギーに対して１次に、開き角に対して５次に比例する高次の色球面収差と色球面収差の相殺もできる。図７にその状態を示す。本実施例の方法を適用することで色球面収差を減らすことができる。この方法では、傾斜方向に相当する球面収差のみを増減させてもよい。具体的には、４極４段型収差補正器において、球面収差補正を行う８極子の担当する方向と傾斜方向が一致する場合、担当する８極子のみを変え、傾斜方向の球面収差のみを制御する。このようにすることで、余計な収差発生を抑えて傾斜によって発生する収差のみ補正することができる。【００６１】
本実施例の方法は実施例１や実施例２と異なり、収差補正器にかける電圧もしくは電流の実行可能な範囲では、特定の傾斜角において色球面収差の効果が0となるような条件は作ることができない。そこで、上記球面収差制御に加えて、実施例１で示した色収差との相殺、もしくは実施例２で示した色分散収差との相殺、あるいは両法の手法と合わせて特定の傾斜角において色球面収差の効果を0としても良い。この方法を使うと，他の方法と比較して補正に必要な電圧や電流を少なくすることができるが、球面収差が増えてしまう。ただし、球面収差の残成分や５次の球面収差の影響は、コマ収差補正の６極子と非点補正を加えることで減らすことができる。【００６２】
以上で球面収差制御による色球面収差低減方法についての実施例を示した。本実施例で説明した手法により、光学条件を固定する必要なく、収差補正時の傾斜観察での高分解能化が可能となる。
【実施例４】
【００６３】
次に第４の実施例として、実施例１の色球面収差測定法とは異なる別の測定法の実施例を示す。本実施例の装置構成は実施例１と同じものを用いる。【００６４】
本実施例において、走査電子顕微鏡(SEM)の制御部は、加速電圧を変更制御することでフォーカスズレを発生させ、フォーカスズレに対して変更した加速電圧の単位電圧あたりのフォーカスのズレ量と方向を算出すると共に、この単位電圧あたりのフォーカスのズレ量と方向の算出の際に、一次荷電粒子線の傾斜を傾斜軸に対して同一の向きで少なくとも２種異なる角度において測定し、この傾斜角を変数とする単位電圧あたりのフォーカスのズレ量を２次以上の関数である多項式として近似し、その多項式の２次の係数から色球面収差量を算出する。【００６５】
本実施例における色球面収差測定法の流れを図8に示すフローチャートで説明する。360度いろいろな方向でそれぞれ傾斜角度を変えて測定することができるが、測定は特定の一方向に固定し傾斜角を変えて行う。すなわち、測定は、傾斜角をΔt間隔で2N+1回、加速電圧をΔE間隔で2M+1回、フォーカス値をΔf間隔で2L+1回変更して測定する場合を想定する。ここでフォーカス値としては試料にフォーカスする対物レンズ１７の電流値やリターディング電源２９のリターディング電圧値などを利用でき、電子ビームの収束位置を変え、フォーカス値の差分から実際の試料面とのフォーカスズレ量を距離に換算できるものならば何でも良い。また、傾斜角tは第１の実施例同様、電子ビームが試料18に入射する垂直方向からの角度とする。傾斜角は、偏向器８を用いて収差補正器１０に入射する電子ビームを偏向することで行う。このとき光学系は物点を変えないまま試料１８への電子ビームの傾斜角のみ変えるよう調整する。今回の例での開始状態は、加速電圧E=E0、傾斜無し(t=0)、フォーカス値F=F0となっており、軸調整、色収差、球面収差、ならびに3次の幾何収差補正はされており、SEM像を取得可能な状態とする。なお、測定条件には、収差補正されていることは必須でない。【００６６】
(S２0)：傾斜角tを-NΔtに設定する。本実施例では簡単のため、始めに-NΔtを設定したが、順番には特に意味はない。
(S２1)：加速電圧EをE0-MΔEに設定する。本実施例では簡単のため、始めにE0-MΔEを設定したが、順番には特に意味はない。
(S２２)：フォーカス値FをF0-LΔfに設定する。本実施例では簡単のため、始めにF0-LΔfを設定したが、順番には特に意味はない。【００６７】
(S２３)：画像を取得する。取得した画像はデータストレージ７６などに保存される。画像は取得した順に画像(i)、i=-Ｌ〜Ｌといった形でラベリングされ、画像と共に取得時の条件も保存され、後から画像と対応する条件が参照できるようになっている。【００６８】
(S２４)：フォーカス値変更の終了条件を満たすかを判断する。ここでは、段階的にフォーカス値を変更するため、規定フォーカス値に達したかによって判断したが、取得する画像数やカウンタを用いて判断してもよい。終了条件を満たしている場合はステップ(S２６)に進み、満たしていない場合はステップ(S２５)に進む。
(S２５)：フォーカス値をΔｆ増やし、再度ステップ(S２３)へ進む。このステップでは軸の再調整は行わないが、イメージシフトは行っても良い。【００６９】
(S２６)：加速電圧Eにおけるフォーカス位置を算出する。フォーカス位置は試料面上の傾斜方向、傾斜と直交する方向といった２方向について区別してそれぞれ算出する。フォーカス位置の算出は、ステップ(S２３)で取得した画像から求める方向について最も鮮鋭なもののフォーカス値とする。特定方向について最も鮮鋭なものの算出については、例えば画像を微分するものなど非点収差測定で用いられる従来手法によって求めることができる。フォーカス位置は2方向について方向毎にそれぞれ区別した状態でデータストレージ７６などに保存される。また、その際の加速電圧や傾斜角も対応関係つく形で保存される。【００７０】
(S２７)：加速電圧変更の終了条件を満たすかを判断する。ここでは、段階的に加速電圧を変更するため、規定電圧に達したかによって判断したが、取得する画像数やカウンタを用いて判断してもよい。終了条件を満たしている場合はステップ(S２９)に進み、満たしていない場合はステップ(S２８)に進む。
(S２８)：加速電圧をΔE増やし、再度ステップ(S２２)へ進む。【００７１】
(S２９)：加速電圧の変更あたりのフォーカス変化量Cv(t)を算出する。Cv(t)は試料面上の傾斜方向、傾斜と直交する方向といった２方向について区別してそれぞれ算出する。図９に一方向についてE=E0を原点とした場合のフォーカス位置と各Eでのフォーカス位置の差分を加速電圧の変動をプロットしたグラフを示す。縦軸にE=E0からのフォーカス位置のズレ量（フォーカスズレ量）を、横軸に加速電圧の変動分をとっている。このグラフの傾きが加速電圧の変更あたりのフォーカス変化量Ｃv(t)となる。Ｃv(t)は求めた2方向について方向毎にそれぞれ区別した状態でデータストレージ７６などに保存される。【００７２】
(S３０)：傾斜角変更の終了条件を満たすかを判断する。ここでは、段階的に傾斜角を変更するため、規定角に達したかによって判断するが、取得するIv(t)の数やカウンタを用いて判断してもよい。終了条件を満たしている場合はステップ(S３２)に進み、満たしていない場合はステップ(S３１)に進む。
(S３１)：傾斜角をΔt増やし、ステップ(S２１)へ再度進む。このステップでは軸の再調整は行わない。【００７３】
(S３２)：色球面収差量を算出する。手順は、ステップ（Ｓ２９）にて求めたCv(t)の傾斜方向について、傾斜角ごとのCvをプロットすると図１０のようなグラフが得られる。グラフは傾斜角tの２次関数で近似でき、加速電圧をかけると下式６となる。【００７４】
【数６】
2011052333.tif 000008
【００７５】
数式6の２次数の係数CsCは色球面収差係数、定数項Ccは色収差係数、であるため、２次の係数から傾斜方向についての色球面収差が算出できる。なお，ステップ(S２９)では傾斜方向と直交する方向についてもCv(t)を算出したが，直交方向の傾斜角は0であるため直交方向のCcを算出できる。【００７６】
(S３３)：測定開始前の状態に戻す。 
以上(S２０)から(S３３)を行うことでも色球面収差を測定できる。なお、本実施例の方法はフォーカスズレをもとにするため、絞り径の影響を受ける。したがって、傾斜角に対して絞り径が無視できない場合は、絞り径を考慮した計算をする。例えば、傾斜に対して絞りの内側を通る電子線の傾斜角をα1、外側を通る傾斜角をα2とすると下式７の連立方程式を解くことで求まる。【００７７】
【数７】
2011052333.tif 000009
【００７８】
なお、上述した測定フローで傾斜の方向は特定の一方向について行ったが、直交する傾斜方向など、少なくとも２方向について測定することで、非対称性を考慮した色球面収差測定が行える。【００７９】
以上で説明した手法により、色球面収差測定が可能となる。実施例１と本実施例の効果の違いを記す。いずれの実施例でも色球面収差と色収差は共に測定できるが、色分散収差においては本実施例の方法単体では測定できない。実施例１では像の移動を検知する必要があるため、想定以上の移動がある場合や、像ボケが移動よりも大きい場合うまく測定できないことがある。それに対して、本実施例ではボケそのものを取り扱い、必ずしも同じ視野を含む必要がないため、測定可能範囲は比較的広い。また、傾斜角に対する次数の違いから変化の度合いが異なるため、実施例１は色球面収差が比較的小さい場合の測定に適しており、本実施例は色球面収差が比較的大きい場合の測定に適している。【００８０】
以上、本発明の好適な実施形態を種々の実施例により説明したが、本発明は以上の実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、荷電粒子線応用装置の照射角度制御機能を用いた試料の傾斜観察において、その制御部は、色収差制御機能、色分散収差制御機能、球面収差制御機能の少なくともいずれか二つの機能を含み、少なくとも二つの機能を用いて、観察する傾斜角において色球面収差および色収差によって試料面と平行な方向に生じる画像のボケを抑制し，かつ抑制の際の生じる色収差と球面収差によって生じる画像のボケが最小となる組み合わせを選択して観察するよう制御する荷電粒子線装置を構成することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は走査型電子顕微鏡、半導体検査装置、走査透過型電子顕微鏡、集束イオンビーム装置などの走査荷電粒子線装置として有用である。
【符号の説明】
【００８２】
1…ショットキー電子源、2…サプレッサー電極、3…引き出し電極、4…第1陽極、5…第2陽極、6…第1コンデンサーレンズ、7…第2コンデンサーレンズ、8…偏向器、9…可動絞り、10…収差補正器、11…非点補正コイル、12…対物アライナ、15…走査偏向器、16…下走査コイル、17…対物レンズ、18…試料、20…電子銃電源、21…制御電圧源、22…加速電圧源、23…第1コンデンサーレンズ電源、24…第2コンデンサーレンズ電源、25…偏向コイル電源、26…収差補正器電源、27…走査コイル電源、28…対物レンズ電源、29…リターディング電源、30…制御コンピュータ、32…非点補正コイル電源、33…対物アライナ電源、60…光軸、71…ＥｘＢ偏向器、72…反射板、73…2次電子検出器、74…2次電子検出器電源、75…ＥｘＢ偏向器電源、７６…データストレージ、77…モニタ、78…操作卓、79…収差演算装置、80…試料ステージ、81…試料ステージ制御機構、100…真空容器、101…カラム、
102…試料室、103…制御ユニット。
【図１】
2011052333.tif 000010
【図２】
2011052333.tif 000011
【図３】
2011052333.tif 000012
【図４】
2011052333.tif 000013
【図５】
2011052333.tif 000014
【図６】
2011052333.tif 000015
【図７】
2011052333.tif 000016
【図８】
2011052333.tif 000017
【図９】
2011052333.tif 000018
【図１０】
2011052333.tif 000019
【国際調査報告】
2011052333.tif 000020
2011052333.tif 000021
2011052333.tif 000022
2011052333.tif 000023